EP2638168A1 - Prozessintensivierung einer biogasanlage durch zugabe von c3 - c6 carbonsäuren - Google Patents

Prozessintensivierung einer biogasanlage durch zugabe von c3 - c6 carbonsäuren

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Publication number
EP2638168A1
EP2638168A1 EP11791480.4A EP11791480A EP2638168A1 EP 2638168 A1 EP2638168 A1 EP 2638168A1 EP 11791480 A EP11791480 A EP 11791480A EP 2638168 A1 EP2638168 A1 EP 2638168A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
load
addition
new
rmax
adaptation
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP11791480.4A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Michael Winkler
Klaus Lorenz
André DIENER
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hochschule Merseburg (FH)
Original Assignee
Hochschule Merseburg (FH)
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Filing date
Publication date
Application filed by Hochschule Merseburg (FH) filed Critical Hochschule Merseburg (FH)
Publication of EP2638168A1 publication Critical patent/EP2638168A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12P—FERMENTATION OR ENZYME-USING PROCESSES TO SYNTHESISE A DESIRED CHEMICAL COMPOUND OR COMPOSITION OR TO SEPARATE OPTICAL ISOMERS FROM A RACEMIC MIXTURE
    • C12P5/00—Preparation of hydrocarbons or halogenated hydrocarbons
    • C12P5/02—Preparation of hydrocarbons or halogenated hydrocarbons acyclic
    • C12P5/023—Methane
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E50/00—Technologies for the production of fuel of non-fossil origin
    • Y02E50/30—Fuel from waste, e.g. synthetic alcohol or diesel

Definitions

  • the invention relates to a process for intensifying the process of a biogas plant by increasing the space load by means of in-process manipulation of the anaerobic biocenosis for wet and dry fermentation processes for producing biogas from biogenic substances of any provenance.
  • the process is particularly well suited for biogas plants that have no process-supported biosludge retention.
  • Hydrolysis splitting of polymeric compounds into monomers by means of fermentative bacteria or extracellular enzymes produced by them, the hydrolysis kinetics being determined mainly by the temperature and the pH, by the substrate comminution or by the reactive surface).
  • Acidification phase (fermentation of the fission products to organic acids, alcohol and hydrogen and carbon dioxide generation times of the acidifying bacteria: carbohydrates -> 1 -24 h; proteins -> 12-36 h; fats -> to 48 h).
  • Acetic acid formation conversion of the carboxylic acids and alcohol to acetic acid, hydrogen and carbon dioxide, generation times of the acetogens bacteria: propionic acid -> 60-120 h, butyric acid -> 60-80 h, fatty acids -> 2-10 days).
  • Methanogenesis (methane production, acetogenotrophic from acetic acid and hydrogenotrophic from hydrogen and carbon dioxide, generation times of the methanogenic bacteria: mixed cultures for H 2 degradation - 6-18 h, mixed cultures for acetate degradation -> 48-72 h, pure cultures for acetate degradation -> 3-5 days).
  • process stability is crucial. In the mode of operation is to differentiate between stationary continuous operation, starting operation and changes in the mode of operation.
  • Process stability is understood to mean that all individual biological steps that take place in the biogas fermenter, such as hydrolysis, Acidification, acetic acid formation and methane formation are in equilibrium.
  • the metabolic rate of the microorganisms decisively determines the efficiency and stability of a biogas plant. It is known that gas production is disturbed by certain inhibitors. Under certain circumstances, inhibitors have a toxic effect on the bacteria involved in biogas formation even at low concentrations and thus slow or stop the degradation of the fermentation substrate.
  • inhibitors are: sodium (inhibiting from 6 to 30 g / l, in adapted cultures from 60 g / l); Potassium (inhibiting from 3 g / l); Calcium (inhibiting from 2.8 g / l CaCl 2 ); Magnesium (inhibiting from 2.4 g / l MgCl 2 ); Hydrogen sulfide in concentrations of approx. 50 mg / l; dissolved ammonia (inhibiting from about 0.15 g / l); some heavy metals or also branched fatty acids (eg iso-butyric acid, inhibiting already from 50 mg / l).
  • Biogas reactors known from the prior art can be operated in one or more stages, whereby naturally all degradation reactions in a single reactor system take place simultaneously in a one-stage process.
  • the reaction conditions can not be adapted to the individual biochemical environmental claims of the various microorganisms involved in substrate degradation.
  • a fermenter operated in this way is therefore a procedural compromise in which the biochemical optimization is geared to the actual formation of methane.
  • individual of the steps described are carried out in separate reaction vessels (hydrolysis and methanogenesis), which allows optimization of the individual reactions, whereby the hydrolysis can be brought about biologically and / or thermally, such as e.g. described in DE 10 2008 030653 A1.
  • Another focus of the process optimization is in processes for mechanical, chemical / physical substrate cleavage or processing, for. B. DE 10 2008 024388 A1.
  • the object of the present invention is therefore to stabilize existing processes for the production of biogas, especially in biogas plants that have no procedural assisted biosludge retention, and to improve such that they are possible at significantly higher room loads than in the prior art , can be operated.
  • the aim is to optimize the process by increasing the volume of a biogas plant that allows high-load fermentation by avoiding reduced degradation of inhibiting metabolites, especially in the early stages of the process. As a result of an improved space / time yield, future systems should be able to be dimensioned correspondingly smaller.
  • the volume load (B R ) of a biogas plant represents the ratio of daily supplied dry organic matter to the reactor volume and is a measure of the biological load of a fermenter.
  • a sewage sludge fermentation can, for. B. up to a max. Room load from 2.5 to 3kg oT s / (m 3 * d)).
  • a "high-load fermentation” means a fermentation which occurs in a biogas plant when it is operated with high digester loads, which according to the prior art has hitherto only been risky (or not at all) realizable Fermenter residence times smaller than the generation times of the biocenosis are not affected.
  • a “biocenosis” is a community of organisms of various species that co-exist in a distinct habitat.
  • “Inhibiting metabolites” are metabolic intermediates which have a negative effect on the fermentative degradation process and inhibit the growth of degrading microorganisms, which mainly include C3-C6 carboxylic acids and their salts, preferably propionic acid and butyric acids.
  • adaptive-triggering substrates used according to the invention encompasses all those substances which trigger the biological adaptation process according to the invention within a biocenosis. These are preferably relatively high molecular weight, aliphatic, saturated monocarboxylic acids, their salts, lactic acid and Mixtures thereof Higher molecular weight, aliphatic, saturated monocarboxylic acids are C3-C6 carboxylic acids, namely propionic acid, butyric acids, pentanoic acids and hexanoic acid.
  • the process according to the invention for process intensification of a biogas plant is characterized in that adaptation-triggering substrates are added for the purposeful propagation of acetogenic microorganisms which cause the degradation of inhibiting, higher molecular weight, aliphatic monocarboxylic acids (C3-C6) and thus initiate an early adaptation of the biocenosis.
  • adaptation-triggering substrates are added for the purposeful propagation of acetogenic microorganisms which cause the degradation of inhibiting, higher molecular weight, aliphatic monocarboxylic acids (C3-C6) and thus initiate an early adaptation of the biocenosis.
  • aS are given in a fermenter for Hochlastfermentation before it is operated in a higher space load range in which the formation of these acids can increase significantly.
  • the inventive method leads to a significant increase in the space load (B R [kg 0 Ts / (m 3 * d]) of a biogas plant and allows the adjustment of the previous maximum room load (B Rmax , ait) to a new maximum room load (B Rmax ,New)-
  • the principle of the invention is based on the fact that the addition of the aS, which act in principle inhibiting the degrading microorganisms, if their amount is too high, a vaccine and thus stimulating the growth of the microorganisms located in the fermentor and thus accelerates their multiplication, which in turn improves the degradation of the inhibiting metabolites.
  • the addition is stopped or greatly reduced.
  • the present method allows high load fermentation in biogas production, fermenting any organic material under anaerobic conditions.
  • the method according to the invention allows the biocenosis used to be adapted to inhibiting metabolites or adaptation-triggering substrates in a low volume load range (preferably B R ⁇ Bi- Rmax , ait) to which the biogas plant is set.
  • the invention is based on the finding that the short-term drastically increasing formation of inhibiting metabolites (preferably resulting C3-C6 carboxylic acids) in existing biogas plants without process-assisted biosludge retention is in principle not harmful to the biogas process, if at this time sufficient microbial life is present ensures a timely degradation of these metabolites, with the required microorganisms were formed preventively by the biocenosis in the respective fermenter at an earlier time itself.
  • no procedural solutions are known in the prior art, which recommend the targeted entry of said aS to allow a significant increase in the previously valid maximum space load (B Rmax , ait) to a new maximum space load (B Rmax , new).
  • the addition of adaptation-triggering substrates into a fermenter takes place before setting the new increased space load (B Rmax , new) -
  • the preferred space load range for the beginning of the adaptation according to the invention is approximately B R ⁇ Vi- B Rm ax, ait (determined according to the Technique, often specific to each application). That is, the addition of the aS must be done in one embodiment of the invention prior to setting the Hochlastfermentation invention and ends usually with the startup process for the same.
  • a process-accompanying dosage during the established Hochlastfermentation must not, but can take place, whereby a different dosage is to be considered.
  • an inflow concentration of 0.4-3.5 la.s / (m 3 substra * d) is preferably chosen during the established high load fermentation.
  • the reduced, continuous dosing of adaptation-triggering substrates may be meaningful if the acid spectra and the specific biogas-forming potential do not show any negative developments direct jumping into the finite high load range is not possible or desired.
  • the supportive supply of substrate ensures a basic supply that counteracts a displacement process and a leaching loss of the desired bacteria. This procedure is particularly useful when it comes in the later operating state for a long time to burglaries in the realizable space load (B R ⁇ B Rma new).
  • the entry of the a.S. into the methanogenic reactor part of a biogas plant since in particular it reacts most sensitive to corresponding metabolites.
  • the degradation of higher molecular weight C3 to C6 - carboxylic acids as well as the fatty acid degradation is, as regards the growth rate of the corresponding bacterial cultures, inferior to all other cultures.
  • the fermentation is to be prepared for this. If it comes within the 4-stage fermentation process process entrainment or the formation of imbalances that are virtually unavoidable in high load operation, a pretreated reactor according to the invention without the tedious and sensitive biological adaptions continue its work seamlessly.
  • the biocenosis is not subject to arbitrary congruence competition. It sets itself from a worst-case scenario, for the degradation of inhibiting carboxylic acids, automatically on an optimal work area. The process approaches the optimum from the safe side (excess of, for example, propionic acid-degrading bacteria).
  • the dosing of the aS into the fermenter system preferably takes place over a period of about 20 to 40 days during a low volume load.
  • the "jumping" in the finite high load range (B R ; ma x; ne U : determined in small-scale tests and reasonably preferably provided with a safety factor of about 15-20%) can subsequently usually without the further addition of aS
  • the hydraulic residence time (in short: residence time) is generally understood to be the ratio of the volume flow rate of the quantity of material supplied to a system to the system volume.
  • the space load (B Rmax, new) can be increased by approx. 2 to 5 load-increasing steps at intervals of approx. 1 week each, whereby this start-up process should preferably be completed in a hydraulic dwell time.
  • An essential advantage of the method according to the invention over the prior art is an at least a factor of two to three higher volume load at a constant specific biogas yield, which leads to a higher substrate throughput or on the other hand to a corresponding reduction of the required reactor volume by the same factor. An optimal asset value creation is thus guaranteed.
  • the method according to the invention can be operated independently of the previously mentioned imponderables. Substrate or process carryover is unproblematic since the initiation of slow adaptation processes within the biocenosis to a "spontaneously" overturning high-load situation was anticipated by preventive addition of aS (with already low space load ⁇ Vz B Rmax, ait). chemical-biological vaccination, which, similar to medical vaccines, prepares a biological community for dangerous situations before this situation actually occurs.Addition of externally obtained bacterial cultures (see eg DE10 2008 055490 A1) is not necessary.
  • Feedstocks may be agricultural waste and / or raw materials (e.g., manure, fodder beet, silage maize, pasture grass), but also all non-agricultural waste (e.g., biowaste, food waste, waste grease, sewage sludge).
  • the process manipulation supports various microorganism species, the disturbing metabolic intermediates (higher molecular weight carboxylic acids) degrade, where it does not depend on a specific pure culture.
  • adaptation-triggering substrates preferably carboxylic acids C3-C6, such as propionic and butyric acid, their salts, lactic acid and mixtures thereof. This is done in a space load range of ideally B R ⁇ Vz B R max. att (determined according to the state of the art, often specific for each application).
  • VWZ Hydraulic residence time
  • Co-Substrate Model substrate consisting of 2 parts dry dog food, 2 parts coffee whitener and 1 part rapeseed oil
  • Duration of vaccination / adaptation 20 days; B R; a . with 0.5 kg a S ./(m 3 * d); aS to equal volumes of propionic and butyric acid
  • adaptation triggering substrates (aS) B R; a . 0.5 kg a S ./(m 3 * d) - B R; A daption ⁇ 2.5 kg oT s / (m 3 * d); this corresponds to Vi B R, max . a "with 5 kg oT s / (m 3 * d)
  • the adaptation-triggering substrate is discontinued.
  • the startup of the biogas plant takes place in the new high-load area.
  • the room load (B R ) is up to this time, excluding the

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Prozessintensivierung einer Biogasanlage durch Erhöhung der Raumbelastung (BRmax, alt [kgoTS/(m3*d]), wobei adaptionsauslösende Substrate (a.S.) zur gezielten Vermehrung acetogener Mikroorganismen zudosiert werden, die den Abbau inhibierender Carbonsäuren (C3-C6) bewirken und somit eine frühzeitige Anpassung der Biozönose an diese Substrate einleiten, bevor ein Fermenter in einem hohen Raumbelastungsbereich (BRmax, neu) betrieben wird, in dem die Bildung dieser Säuren deutlich zunehmen kann.

Description

PROZESSINTENSIVIERUNG EINER BIOGASANLAGE DURCH ZUGABE VON C3 - C6 CARBONSÄUREN
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Prozessintensivierung einer Biogasanlage durch Erhöhung der Raumbelastung mittels prozessinterner Manipulation der anaeroben Biozönose für Verfahren der Nass- und Trockenfermentation zur Erzeugung von Biogas aus biogenen Stoffen beliebiger Provenienz. Das Verfahren ist besonders gut für Biogasanlagen geeignet, die über keine verfahrenstechnisch unterstützte Bioschlammrückhaltung verfügen.
Stand der Technik
Es ist bekannt, dass organische Stoffe mikrobiologisch unter anaeroben Bedingungen zu hochwertigem und brennbarem Biogas umgewandelt werden können. Dabei erfolgt der Abbau von Kohlenhydraten, Eiweißen und Fetten in folgenden vier primären Abbauschritten:
1 . Hydrolyse (Aufspaltung polymerer Verbindungen in Monomere mit Hilfe von fermentativen Bakterien bzw. von diesen erzeugten extrazellulären Enzymen; die Hydrolysekinetik wird hauptsächlich, neben der Temperatur sowie dem pH-Wert, durch die Substratzerkleinerung bzw. durch die reaktive Oberfläche bestimmt).
2. Versäuerungsphase (Vergärung der Spaltprodukte zu organischen Säuren, Alkohol sowie Wasserstoff und Kohlendioxid; Generationszeiten der versäuernden Bakterien: Kohlenhydrate -> 1 -24 h; Eiweiße -> 12-36 h; Fette -> bis 48 h).
3. Essigsäurebildung (Umsetzung der Carbonsäuren und Alkohol zu Essigsäure, Wasserstoff und Kohlendioxid; Generationszeiten der Acetogenen Bakterien: Propionsäure -> 60-120 h; Buttersäure -> 60-80 h; Fettsäuren -> 2-10 Tage).
4. Methanogenese (Methanerzeugung, acetogenotroph aus Essigsäure sowie hydrogenotroph aus Wasserstoff und Kohlendioxid; Generationszeiten der methanogenen Bakterien: Mischkulturen zum H2-Abbau - 6-18 h; Mischkulturen zum Acetat-Abbau -> 48-72 h; Reinkulturen zum Acetat-Abbau -> 3-5 Tage).
Für einen sicheren und störungsfreien Betrieb einer Biogasanlage ist die Prozessstabilität entscheidend. Bei der Betriebsweise ist zwischen stationärem Dauerbetrieb, Anfahrbetrieb und Änderungen in der Betriebsweise zu unterscheiden. Unter Prozessstabilität ist zu verstehen, dass alle einzelnen biologischen Schritte die im Biogasfermenter ablaufen, wie Hydrolyse, Versäuerung, Essigsäurebildung und Methanbildung miteinander im Gleichgewicht stehen. Die Stoffumsatzleistung der Mikroorganismen bestimmt im entscheidenden Maße die Effizienz und Stabilität einer Biogasanlage. Es ist bekannt, dass die Gasproduktion durch bestimmte Hemmstoffe gestört wird. Hemmstoffe wirken unter Umständen schon in geringen Konzentrationen toxisch auf die an der Biogasbildung beteiligten Bakterien und verlangsamen oder stoppen so den Abbau des Gärsubstrates. Beispiele für Hemmstoffe sind: Natrium (hemmend ab 6 bis 30 g/l; in adaptierten Kulturen ab 60 g/l); Kalium (hemmend ab 3 g/l); Calcium (hemmend ab 2,8 g/l CaCI2); Magnesium (hemmend ab 2,4 g/l MgCI2); Schwefelwasserstoff in Konzentrationen von ca. 50 mg/l; gelöster Ammoniak (hemmend ab ca. 0, 15 g/l); einige Schwermetalle oder auch verzweigte Fettsäuren (z. B. Iso-Buttersäure, hemmend schon ab 50 mg/l).
Es ist weiterhin bekannt, dass eine ganze Reihe von Bakterien Carbonsäuren als Produkt verschiedenster Stoffwechselprozesse erzeugen.
Herkömmliche Fermenter haben permanent insbesondere mit der Aufkonzentration von Metaboliten wie Propionsäure aber auch weiterer höhermolekularer Carbonsäuren zu kämpfen, die ab einer bestimmten Konzentration bakteriostatische Wirkung haben. Das Verhindern einer Übersäuerung bei der Prozessführung ist deshalb besonders wichtig. Es werden hohe Konzentrationen an organischen Säuren gebildet, welche zu einer Verringerung des pH-Wertes führen bzw. das Dissoziationsgleichgewicht der organischen Säuren verschieben. Es ist demzufolge notwendig, einer Übersäuerung im Bioreaktor frühzeitig entgegen zu wirken.
Eine strikte Einhaltung des Säurespektrums ist im Ablauf der Versäuerungsstufen bei hoher Raumbelastung bzw. bei inhomogenen Substraten (Zusammensetzung: Kohlehydrate, Proteine, Fett; Korngröße) nicht möglich, ohne Substratverschleppungen hinzunehmen. Ein Anzeichen für eine überlastete Biogasanlage ist neben dem Anstieg von Propionsäure und anderen längerkettigen Carbonsäuren auch der Rückgang der spezifischen Biogasausbeute (sBG in m3n/kgoTs)- Will man eine nahezu vollständige biologische Hydrolyse, erfordert dies eine entsprechend groß dimensionierte Anlage, die auf die langsamsten Stoffwechselreaktionen Rücksicht nimmt und/oder zusätzliche Verfahrenstechnik zur mechanischen/chemischen/physikalischen Substrataufbereitung erfordert. Die höchstmögliche Raumbelastung bleibt somit in vielen Fällen weit hinter ihren theoretischen Möglichkeiten zurück.
Verfahren, die Stoffwechselvorgänge zu beeinflussen versuchen, sind bekannt, z.B. aus DD 287 709 A5. Dort ist eine 2-stufige Anlage beschrieben, wobei mit Hilfe von Lactobacillen Milchsäure erzeugt, die dann fermentativ zu Biogas verarbeitet wird. Gemäß DE 10 2008 055490 A1 werden kontinuierlich Bakterien der Gattung Clostridium Sartagoformum einer Biogasanlage zugeführt, die eine Verdopplung der möglichen Faulraumbelastung bewirkt. Bekannt sind auch Verfahren, in denen oberflächenchemisch aktive Substanzen aus dem biologischen Abbau von Fetten/Ölen der Fermentation zugesetzt werden, oder Biokatalysatoren sowie Spurenelementlösungen, um beispielsweise die Abbaugeschwindigkeit zu verbessern.
Aus dem Stand der Technik bekannte Biogasreaktoren können ein- oder mehrstufig betrieben werden, wobei naturgemäß in einem einstufigen Prozess alle Abbaureaktionen in einem einzigen Reaktorsystem simultan ablaufen. Dabei können die Reaktionsbedingungen nicht an die individuellen biochemischen Milieuansprüche der verschiedenen am Substratabbau beteiligten Mikroorganismen angepasst werden. Ein derart betriebener Fermenter ist deshalb ein verfahrenstechnischer Kompromiss, bei dem die biochemische Optimierung auf die eigentliche Methanbildung ausgerichtet ist. In mehrstufigen Prozessen laufen einzelne der beschriebenen Schritte in getrennten Reaktionsgefäßen ab (Hydrolyse und Methanogenese), was eine Optimierung der einzelnen Reaktionen ermöglicht, wobei die Hydrolyse biologisch und/oder thermisch herbeigeführt werden kann, wie z.B. in DE 10 2008 030653 A1 beschrieben. Ein weiterer Schwerpunkt der Verfahrensoptimierung liegt in Verfahren zur mechanisch, chemisch/physikalischen Substratspaltung bzw. -aufbereitung, z. B. DE 10 2008 024388 A1.
Es ist weiter die Bedeutung des Wasserstoffpartialdrucks bekannt, der nur in Gegenwart von H2 - verbrauchenden Methanbakterien auf einem niedrigen Stand gehalten werden kann, so dass die Essigsäure bildenden Bakterien in der Hauptsache die erwünschte Essigsäure und nicht hemmende Carbonsäuren (mit einer Kettenlänge von C3 - C6), oder gar Milchsäure, produzieren. Es ist außerdem bekannt, dass für kontinuierlich bzw. quasikontinuierlich betriebene Biogasanlagen die pro Zeiteinheit gebildete Biomasse größer sein muss als die Biomasse, die aus dem Reaktor abgeführt wird. Ist dies nicht der Fall, wird die aktive Biomasse ausgeschwemmt. Da das Biomassewachstum ebenfalls bei hohen Substratkonzentrationen stark zurückgeht, führen sowohl kurze Verweilzeiten als auch zu hohe Substratkonzentrationen, besonders Konzentrationen an freien Fettsäuren, bei den bisherigen Verfahren zum Zusammenbrechen der Biozönose.
Aufgabe der Erfindung
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt deshalb darin, bestehende Verfahren zur Erzeugung von Biogas, besonders in Biogasanlagen, die über keine verfahrenstechnisch unterstützte Bioschlammrückhaltung verfügen, zu stabilisieren und derart zu verbessern, dass diese bei signifikant höheren Raumbelastungen, als nach dem bisherigen Stand der Technik möglich, betrieben werden können. Es soll eine Prozessoptimierung durch Erhöhung der Raumbelastung einer Biogaslage erfolgen, die die Hochlastfermentation erlaubt, indem ein verminderter Abbau inhibierender Metabolite - besonders im Anfangstadium des Prozesses - vermieden wird. Als Folge einer verbesserten Raum-/Zeitausbeute sollen zukünftige Anlagen entsprechend kleiner dimensioniert werden können.
Beschreibung der Erfindung
Begriffe
Die Raumbelastung (BR) einer Biogasanlage stellt das Verhältnis von täglich zugeführter organischer Trockensubstanz zum Reaktorvolumen dar und ist ein Maß für die biologische Belastung eines Fermenters. Eine Klärschlammfermentation kann z. B. bis zu einer max. Raumbelastung von 2,5 bis 3kgoTs/(m3*d)) betrieben werden. Unter einer„Hochlastfermentation" wird im Sinne der Erfindung eine Vergärung verstanden, die bei einer Biogasanlage dann auftritt, wenn diese mit hohen Faulraumbelastungen betrieben wird, welche nach dem Stand der Technik bisher nur risikobehaftet (oder gar nicht) realisierbar ist. Hochlastsituationen aufgrund von hydraulischen Fermenterverweilzeiten, die kleiner als die Generationszeiten der Biozönose sind, werden hiervon nicht betroffen.
Unter einer „Biozönose" ist eine Gemeinschaft von Organismen verschiedener Arten zu verstehen, die in einem abgrenzbaren Lebensraum zusammen existieren. „Inhibierende Metabolite" sind hier Stoffwechselzwischenprodukte, die eine negative Wirkung auf den fermentativen Abbauprozess haben und das Wachstum von abbauenden Mikroorganismen hemmen. Dazu gehören im wesentlichen C3-C6 Carbonsäuren und deren Salze, vorzugsweise Propionsäure und Buttersäuren.
Unter dem Begriff „adaptionsauslösende Substrate" (a.S.), der erfindungsgemäß verwendet wird, sind all jene Substanzen zusammengefasst, die den erfindungsgemäßen biologischen Adaptionsprozess innerhalb einer Biozönose auslösen. Dabei handelt es sich bevorzugt um höhermolekulare, aliphatische, gesättigte Monocarbonsäuren, deren Salze, Milchsäure sowie Mischungen daraus. Höhermolekulare, aliphatische, gesättigte Monocarbonsäuren sind C3-C6 Carbonsäuren, nämlich Propionsäure, Buttersäuren, Pentansäuren und Hexansäure.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Hauptanspruch gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen dargestellt.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Prozessintensivierung einer Biogasanlage ist dadurch gekennzeichnet, dass adaptionsauslösende Substrate zur gezielten Vermehrung acetogener Mikroorganismen zudosiert werden, die den Abbau inhibierender, höhermolekularer, aliphatischer Monocarbonsäuren (C3-C6) bewirken und somit eine frühzeitige Adaption der Biozönose einleiten. Erfindungsgemäß werden a.S in einen Fermentor zur Hochlastfermentation gegeben bevor dieser in einem höheren Raumbelastungsbereich betrieben wird, in dem die Bildung dieser Säuren deutlich zunehmen kann. Das erfindungsgemäße Verfahren führt zu einer wesentlichen Erhöhung der Raumbelastung (BR [kg0Ts/(m3*d]) einer Biogasanlage und ermöglicht die Einstellung von der bisherigen maximalen Raumbelastung (BRmax,ait) auf eine neue maximale Raumbelastung (BRmax,neu)-
Das erfindungsgemäße Prinzip beruht darauf, dass die Zugabe der a.S., die im Prinzip inhibierend auf die abbauenden Mikroorganismen wirken, wenn ihre Menge zu hoch ist, eine Impfung und somit Anregung des Wachstums der im Fermentor befindlichen Mikroorganismen bewirkt und so deren Vermehrung beschleunigt, was wiederum den Abbau der inhibierenden Metabolite verbessert. Mit Beginn des Anfahrprozesses der Biogasanlage zur eigentlichen Hochlastfermentation wird die Zugabe gestoppt oder stark reduziert. Das vorliegende Verfahren gestattet die Hochlastfermentation bei der Biogaserzeugung, wobei beliebiges organisches Material unter anaeroben Bedingungen vergoren wird. Das erfindungsgemäße Verfahren gestattet, dass die verwendete Biozönose in einem niedrigen Raumbelastungsbereich (vorzugsweise BR < Vi- BRmax,ait), auf den die Biogasanlage eingestellt ist, auf inhibierende Metabolite bzw. adaptionsauslösende Substrate adaptiert wird.
Der Erfindung liegt dabei die Erkenntnis zugrunde, dass die kurzfristig drastisch ansteigende Bildung inhibierender Metabolite (vorzugsweise entstehender C3-C6 Carbonsäuren) in bestehenden Biogasanlagen ohne verfahrenstechnisch unterstützte Bioschlammrückhaltung prinzipiell nicht schädlich für den Biogasprozess ist, sofern zu diesem Zeitpunkt genügend mikrobielles Leben vorhanden ist, welches einen zeitnahen Abbau dieser Metabolite gewährleistet, wobei die benötigten Mikroorganismen präventiv durch die Biozönose im jeweiligen Fermenter zu einem früheren Zeitpunkt selbst gebildet wurden. Bislang sind im Stand der Technik keine verfahrenstechnischen Lösungen bekannt, die den gezielten Eintrag besagter a.S. empfehlen, um eine signifikante Erhöhung der bisher gültigen maximalen Raumbelastung (BRmax,ait) auf eine neue maximale Raumbelastung (BRmax,neu) zu ermöglichen. Vielmehr wird bislang bei allen technologischen Vorgängen streng darauf geachtet, dass es zu keiner Prozessführung kommt, die verstärkt diese Metabolite im Fermenter bilden. Die Zugabe adaptionsauslösender Substrate in einen Fermenter erfolgt dabei vor dem Einstellen der neuen erhöhten Raumbelastung (BRmax,neu)- Der bevorzugte Raumbelastungsbereich für den Beginn der erfindungsgemäßen Adaption beträgt ca. BR < Vi- BRmax,ait (ermittelt nach Stand der Technik; oft spezifisch für jeden Anwendungsfall). Das heißt, die Zudosierung der a.S. muss in einer Ausführungsvariante der Erfindung vor dem Einstellen der erfindungsgemäßen Hochlastfermentation erfolgen und endet in der Regel mit dem Anfahrprozess zur selben. Eine prozessbegleitende Dosierung während der etablierten Hochlastfermentation muss nicht, aber kann erfolgen, wobei eine abweichende Dosierung zu beachten ist. Als besonders geeignet hat sich vor dem Einstellen der erhöhten Raumbelastung (BRmax, neu) bzw. zur Adaption eine Dosierung von BRa S. = 0,3-0,7 kg/(m3*d) erwiesen. Sofern erforderlich, wird während der etablierten Hochlastfermentation eine Zuflusskonzentration von 0,4-3,5 la.s/(m3substra *d) bevorzugt gewählt. Die abgeminderte, kontinuierliche Dosierung an adaptionsauslösenden Substraten kann sinnvoll sein, sofern die Säurespektren und das spezifische Biogasbildungspotenzial keine negativen Entwicklungen ausweisen und ein direktes Springen in den finiten Hochlastbereich nicht möglich oder gewünscht ist. Durch die unterstützende Substratbeigabe wird eine Grundversorgung abgesichert, die einem Verdrängungsprozess sowie einem Auswaschverlust der gewünschten Bakterien entgegenwirkt. Diese Vorgehensweise ist im Besonderen dann sinnvoll, wenn es im späteren Betriebszustand über längere Zeit zu Einbrüchen in der realisierbaren Raumbelastung (BR < BRma neu) kommt.
Bevorzugt erfolgt der Eintrag der a.S. in den methanogenen Reaktorteil einer Biogasanlage, da insbesondere dieser am sensibelsten auf entsprechende Metabolite reagiert. Der Abbau der höhermolekularen C3 bis C6 - Carbonsäuren wie auch der Fettsäureabbau ist, was die Wachstumsgeschwindigkeit der entsprechenden Bakterienkulturen betrifft, allen anderen Kulturen unterlegen. Als langsamstes Glied der Verstoffwechselung ist die Fermentation hierauf vorzubereiten. Kommt es innerhalb des 4-stufigen Fermentationsprozesses zu Prozessverschleppungen bzw. zur Ausbildung von Ungleichgewichten, die im Hochlastbetrieb faktisch nicht mehr zu vermeiden sind, kann ein erfindungsgemäß vorbehandelter Reaktor ohne die langwierige und empfindliche, biologische Adaptionen seine Arbeit nahtlos fortsetzen. Die Biozönose ist keinem willkürlichen Kongruenzwettbewerb ausgesetzt. Sie stellt sich von einem Worst-Case-Szenario, für den Abbau hemmender Carbonsäuren, selbsttätig auf einen optimalen Arbeitsbereich ein. Der Prozess nähert sich dem Optimum von der sicheren Seite (Überschuss an z.B. propionsäureabbauenden Bakterien).
Weiterhin erfolgt die Dosierung der a.S. in das Fermentersystem, wie bereits an anderer Stelle erwähnt, während einer niedrigen Raumbelastung bevorzugt über eine Zeitspanne von ca. 20 bis 40 Tagen. Das „Springen" in den finiten Hochlastbereich (BR;max;neU: ermittelt in kleintechnischen Versuchen und vernünftigerweise bevorzugt mit einem Sicherheitsbeiwert von ca. 15-20% versehen) kann im Anschluss daran in der Regel ohne die weitere Zugabe von a.S. innerhalb einer hydraulischen Verweilzeit erfolgen, wobei eine gleichmäßige und schrittweise Lasterhöhung verlangt wird. Unter der hydraulischen Verweilzeit (kurz: Verweilzeit) wird in der Regel das Verhältnis des Volumenstroms der in eine Anlage zugeführten Stoffmenge zum Anlagenvolumen verstanden. Die Raumbelastung (BRmax,neu) kann durch ca. 2 bis 5 belastungssteigernde Schritte im Abstand von ca. je 1 Woche erhöht werden, wobei dieser Anfahrprozess vorzugsweise in einer hydraulischen Verweilzeit abzuschließen ist.
Wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens gegenüber dem Stand der Technik ist eine um mindestens den Faktor zwei bis drei höhere Raumbelastung bei konstanter spezifischer Biogasausbeute, was zu einem höheren Substratdurchsatz oder andererseits zu einer entsprechenden Verkleinerung des benötigten Reaktorvolumens um den gleichen Faktor führt. Eine optimale Anlagenwertschöpfung ist somit gewährleistet.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann im Gegensatz zum Stand der Technik unabhängig von den zuvor benannten Unwägbarkeiten betrieben werden. Eine Substrat- bzw. Prozessverschleppung ist unproblematisch, da die Auslösung langsamer Adaptionsprozesse innerhalb der Biozönose an eine„spontan" umschlagende Hochlastsituation durch präventive Zugabe von a.S. (bei bereits niedriger Raumbelastung < Vz BRmax,ait) vorweggenommen wurde. Es wird eine verfahrenstechnische bzw. chemisch-biologische Impfung durchgeführt, die ähnlich wie medizinische Impfstoffe eine biologische Lebensgemeinschaft auf Gefahrensituationen vorbereitet, bevor diese Situation tatsächlich eintritt. Eine Zugabe extern gewonnener Bakterienkulturen (siehe z.B. DE10 2008 055490 A1) ist nicht notwendig.
Zusammenfassend ist festzustellen:
1 . Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine allgemeingültige Rezeptur vorgelegt, die jedwede Fermentation zur Biogasbildung, insbesondere ohne verfahrenstechnisch unterstützte Bioschlammrückhaltung, deutlich positiv beeinflussen kann. Ausgangsmaterialien können landwirtschaftliche Abfallstoffe und/oder Rohstoffe sein (z.B. Gülle, Futterrüben, Silomais, Weidegras), aber auch alle außerlandwirtschaftlichen Abfallstoffe (z.B. Bioabfall, Speiseabfälle, Altfett, Klärschlamm).
2. Die Prozessmanipulation unterstützt diverse Mikroorganismenspezies, die störende Stoffwechselzwischenprodukte (höhermolekulare Carbonsäuren) abbauen, wobei es nicht auf eine bestimmte Reinkultur ankommt.
3. Je mehr Ausgangssubstrat, umso mehr hemmende Carbonsäuren können in einem herkömmlichen Prozess entstehen, da (z.B. propion- und butter-) säureabbauende Bakterien zu langsam wachsen, um den durch säurebildende Bakterien erzeugten Metabolitenüberschuss vor dem Erreichen der toxischen Grenzkonzentration abzubauen. Erfindungsgemäß wird diesem biologischen Engpass präventiv begegnet. Dass heißt, Bakterien, die die Stoffwechselzwischenprodukte aus Carbonsäuren abbauen, werden auf Vorrat gezüchtet. Fährt man nun relativ schnell eine Biogasanlage in den zuvor ermittelten Grenzbereich der Raumbelastung, so können die dann „spontan" in Massen gebildeten Stoffwechselzwischenprodukte aus hemmenden Carbonsäuren sofort abgebaut werden. Es kommt nicht zum Umkippen des Reaktors.
4. Die benötigten Bakterienkulturen werden im Vorfeld durch die Zugabe der sogenannten adaptionsauslösenden Substrate (vorzugsweise Carbonsäuren C3-C6, wie Propion- und Buttersäure, deren Salze, Milchsäure sowie Mischungen daraus) bereitgestellt. Dies geschieht in einem Raumbelastungsbereich von idealerweise BR < Vz BR max. att (ermittelt nach Stand der Technik; oft spezifisch für jeden Anwendungsfall).
5. Ist eine entsprechende Adaption des Fermentationsschlammes durchgeführt (empfohlene minimale Impfzeit ~ 20 d), kann die Beigabe von a.S. eingestellt und der Reaktor in den neuen Hochlastbetrieb überführt werden. Der Prozess des Hochfahrens sollte möglichst gleichmäßig und schnell erfolgen (über ca. eine hydraulische Verweilzeit; Minimum drei Wochen).
Ausführungsbeispiel
Zur besseren Veranschaulichung wird das Verfahren an einem verallgemeinerbaren Beispiel dargelegt:
Das Verfahren ist im Labormaßstab belegt. Es wurden in mehreren Versuchsreihen reproduzierbare Ergebnisse ermittelt, die eine Überführung des Verfahrens in den großtechnischen Maßstab ermöglichen:
• BR ; max. an einer bestehenden Biogasanlage: 5 kg0Ts/(m3*d) ermittelt in kleintechnischen Untersuchungen (Ausgangssubstrat: Mischschlamm einer Kläranlage)
• Hydraulische Verweilzeit (VWZ): 16 Tage Hauptfermenter; 4 Tage Hydrolyse
• Mesophiler Prozess bei 37 °C
• Trockensubstanzgehalt im Fermenter ca. 5,5-6,0 Ma.% • Co-Substrat: Modellsubstrat aus 2 Teilen Hundetrockenfutter, 2 Teilen Kaffeeweißer und einem 1 Teil Rapsöl
BR;ma)<; neu der adaptierten Biogasanlage: 12 kg0Ts/(m3*d) ermittelt in kleintechnischen Untersuchungen inkl. Sicherheitsbeiwert (abgemindert um 15%)
Dauer der Impfung/Adaption: 20 Tage; BR;a.s. mit 0,5 kga S./(m3*d); a.S. zu je gleichen Volumenanteilen Propion- und Buttersäure
Dauer bis zur stabilen Hochlastfermentation: 20 Tage zur biologischen Adaption + 21 Tage zum schrittweisen Erreichen des Hochlastzustandes (Gesamtdauer hier: 41 Tage)
Schritte der Prozessgestaltung bis zum Erreichen der Hochlastfermentation:
1 . Beginn der Adaption bei BR;gewähit ~ 2 kgoTs/(m3*d) mit der Zugabe
adaptionsauslösender Substrate (a.S.) BR;a.s. = 0,5 kga S./(m3*d) - BR;Adaption ~ 2,5 kgoTs/(m3*d); dies entspricht Vi BR;max. a„ mit 5 kgoTs/(m3*d)
2. Nach einer 20-tägigen Adaption wird das adaptionsauslösende Substrat abgesetzt. Es erfolgt das Hochfahren der Biogasanlage in den neuen Hochlastbereich.
3. Die Raumbelastung (BR) beträgt bis zu diesem Zeitpunkt, exklusive der
adaptionsauslösenden Substrate, 2 kgoTs/(m3*d) - Lasterhöhung um 2,5 kgoTs/(m3*d) auf 4,5 kgoTs/(m3*d) - nach 7 d erfolgt eine weitere Lasterhöhung auf 7 kgoTs/(m3*d) - nach 7 d (Tag 14) Erhöhung der Last auf 9,5 kgoTs/(m3*d) - nach weiteren 7 d (Tag 21 ) wird auf 12 kgoTs/(m3*d) erhöht.
4. Ein stabiler Hochlastbetrieb ist nach einer weiteren Woche zur Systemberuhigung etabliert.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Prozessintensivierung einer Biogasanlage durch Erhöhung der Raumbelastung (BRmax,ait) auf eine neue Raumbelastung (BRmax,neu), dadurch gekennzeichnet, dass adaptionsauslösende Substrate (a.S.) zur gezielten Vermehrung acetogener Mikroorganismen zudosiert werden, die den Abbau inhibierender, höhermolekularer Carbonsäuren (C3-C6) bewirken und somit eine Prozessanpassung der Biozönose für den Hochlastbereich darstellen, wobei die Zugabe vor dem Einstellen der neuen Raumbelastung (BRmax neu) für den Hochlastbereich erfolgt.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass als a.S. zur gezielten Vermehrung der acetogenenen Mikroorganismen höhermolekulare Carbonsäuren (C3-C6) zugesetzt werden, vorzugsweise Propionsäure, Buttersäure, deren Salze und/oder Milchsäure.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zugabe der a.S. in einen Fermenter vor dem Einstellen der erhöhten Raumbelastung (BRmax, neu) in einem Raumbelastungsbereich von BR < Vz BRmax,ait erfolgt.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Zugabe der a.S. vorzugsweise über 20 Tage (hydraulische Verweilzeit zwischen 20-40 Tage) bzw. 40 Tage (hydraulische Verweilzeit > 40 Tage) im Fermenter aufrechterhalten wird, bevor eine schrittweise Erhöhung der Raumbelastung bis hin zur Hochlastsituation von BRmaXi neu beginnt.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Zugabe der a.S. in der Phase der biologischen Adaption in einer Dosierung von BR a.s., 0,3- 0,7 kg/(m3*d) erfolgt.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Raumbelastung durch vorzugsweise 2 - 5 belastungssteigernde Schritte im Abstand von einer Woche erhöht wird, wobei dieser Prozess zum Erreichen der Raumbelastung BRmax, neu in einer hydraulischen Verweilzeit abzuschließen ist.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zugabe der a.S. (Zuflusskonzentration von 0,4-3,5 la.s-/(m3substrat*d) in eine Biogasanlage erfolgt, wenn nach dem Erreichen einer Hochlastfermentation mit BRmaXi neu eine gewollte oder ungewollte Senkung der Raumbelastung eintritt, welche Ausschwemm- und mikrobiologische Verdrängungseffekte begünstigt.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass es in Biogasanlagen eingesetzt wird, die ohne verfahrenstechnisch unterstützte
Bioschlammrückhaltung arbeiten.
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